CN107807361A - 用于驱动超声波传感器的设备和方法 - Google Patents

用于驱动超声波传感器的设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于驱动超声波传感器的设备和方法。根据本发明的实施例的用于驱动超声波传感器的设备可包括：驱动单元，用于向超声波传感器提供发送脉冲以发送超声波并且接收用于超声波的超声回波；放大器，用于放大针对超声回波的电信号；模拟‑数字转换器，用于将所放大的电信号转换为原始数字信号；信号处理单元，用于对原始数字信号执行包络提取处理并且生成经包络提取处理的信号；以及控制单元，用于基于原始数字信号和经包络提取处理的信号输出超声波传感器和外部物体之间的距离，其中，控制单元至少在第二时段期间基于原始数字信号监测超声波传感器的换能器的振动的频率或相位变化并且在至少第三时段期间分析包络提取处理信号。

Description

用于驱动超声波传感器的设备和方法
相关申请的交叉参考
本申请要求于2016年9月8号向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0115880号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及超声波传感器，并且更具体地，涉及用于驱动超声波传感器的设备和方法。
背景技术
近期，汽车制造商集中研发与车辆安全性相关的技术，并将采用更先进的安全性技术的车辆产品引入市场。先进的安全性技术的代表性实例是主要在泊车期间使用的先进驾驶辅助系统(ADAS)。具体地，ADAS中的泊车辅助系统(PAS)和自动泊车辅助系统(APAS)广泛用于通知车辆与外部物体之间的距离。在这些系统中，关键技术是通过使用安装在车辆中的超声波传感器准确测量外部物体的位置或距离。
超声波传感器可以在发送具有20KHz或更大的频率(其为非可听范围)的超声波之后感测从外部物体反射的超声回波。并且，超声波传感器可以基于所感测的超声回波来测量距外部物体的距离。在这种情况下，基于所测量的距离，可以以诸如警告声，车辆显示器上的指示等许多方式通知车辆驾驶员。因此，通过超声波传感器技术可以大大提高驾驶员和车辆的安全性。
然而，使用超声波传感器的常规的距离测量技术在感测的范围或精度方面具有许多局限性。具体地，常规的超声波传感器只有在超声波传感器的换能器的物理振动完全停止之后才能接收从外部物体反射的实际的超声回波，这是因为即使当超声波传感器完成驱动换能器时，换能器仍继续振动一会儿。因此，测量在离超声波传感器很近的位置处的外部物体的距离是非常困难的。
然而，对需要具有比现有的超声波传感器更宽的感测范围的非常准确的距离感测的各种应用的需求越来越多。因此，现有的距离测量系统的改进已经变得非常迫切。例如，在狭窄的泊车空间中，为了更有效率的泊车，需要测量比目前可测量的距离更短的距离。
现有技术文件：韩国未注册的专利申请公开第10-2005-0006750号(核准日期：2005年1月17日)。
发明内容
本发明的目的是基本上消除由现有技术的局限性和缺点引起的各种问题。更具体地，本发明的目的是提供用于驱动超声波传感器的设备和方法以更加准确地测量距非常邻近的外部物体的距离的位置。
为了实现上述目的，根据本发明的实施例的用于驱动超声波传感器的设备可包括：驱动单元，用于向超声波传感器提供发送脉冲以发送超声波，并且驱动单元用于接收针对超声波的超声回波；放大器，用于放大针对超声回波的电信号；模拟-数字转换器，用于将所放大的电信号转换为原始数字信号；信号处理单元，用于对原始数字信号执行包络提取处理并且生成经包络提取处理的信号；以及控制单元，用于基于原始数字信号和经包络提取处理的信号，输出超声波传感器与外部物体之间的距离，其中，假设存在超声波传感器的换能器根据发送脉冲进行振动的第一时段，在停止提供发送脉冲之后换能器自振动的第二时段，以及换能器停止自振动的第三时段，控制单元至少在第二时段期间基于原始数字信号监测超声波传感器的换能器的振动的频率或相位变化，并且在至少第三时段期间分析经包络提取处理的信号，且其中，控制单元输出超声波传感器与外部物体之间的距离，该距离是基于超声波的发送时间和初始检测时间之间的飞行时间确定的，当在第二时段期间初始检测到超声波传感器的换能器的频率或相位变化并且在预定的时间内接收到超声回波时确定初始检测时间。
在这种情况下，发送脉冲的频率可在换能器的谐振频率和反谐振频率的中间。
另外，在第二时段期间的换能器的自振动频率可为换能器的谐振频率。
另外，控制单元可包括用于储存超声波的发送时间和初始检测时间之间的飞行时间的存储器。
另外，控制单元可包括检测换能器的相位或频率变化的相位或频率变化检测单元。
同时，根据本发明的实施例的用于驱动超声波传感器的方法可包括：向超声波传感器提供发送脉冲以发送超声波，并且接收针对超声波的超声回波；放大针对超声回波的电信号；将所放大的电信号转换为原始数字信号；对原始数字信号执行包络提取处理并且生成经包络提取处理的信号；以及基于原始数字信号和经包络提取处理的信号，输出超声波传感器与外部物体之间的距离，其中，输出距离包括：假设存在超声波传感器的换能器根据发送脉冲进行振动的第一时段，在停止提供发送脉冲之后换能器自振动的第二时段，以及换能器停止自振动的第三时段，至少在第二时段期间基于原始数字信号监测超声波传感器的换能器的振动频率，并且在至少第三时段期间分析经包络提取处理的信号，且输出超声波传感器与外部物体之间的距离，距离是基于超声波的发送时间和初始检测时间之间的飞行时间确定的，当在第二时段期间初始检测到所述换能器的所述振动频率的变化并且在预定的时间内接收到超声回波时确定初始检测时间。
在这种情况下，发送脉冲的频率可在换能器的谐振频率和反谐振频率的中间。
另外，在第二时段期间的换能器的振动频率可为换能器的谐振频率
另外，输出距离可包括储存超声波的初始检测时间和发送时间之间的飞行时间。
另外，基于换能器的相位或频率变化检测振动频率的变化。
根据本发明，可以更加准确地测量距靠近的外部物体的距离的位置。当超声波的第一超声回波通过在超声波传感器的换能器在超声波传感器停止超声波的发送之后继续振动的混响时段期间感测超声波传感器的换能器的频率或相位的变化来检测并且在从接收到第一超声回波起的预定时间内接收到超声波的第二超声回波时，基于从超声波的发送到检测到超声波的第一超声回波的飞行时间，输出距外部物体的距离。常规地，在混响时段期间不可能测量外部物体的距离，并且随后检测外部物体的可能的距离范围被限制超过30cm。但是，根据本发明，超声波传感器可以测量约5cm的靠近的外部物体的距离。
附图说明
图1示出根据本发明的实施例的超声波传感器驱动设备的方框图。
图2示出根据本发明的实施例的在混响时段接收到的原始数字信号的图。
图3示出根据本发明的实施例的超声波被反射两次或更多次的实例。
图4示出根据本发明的实施例的超声回波被接收两次或更多次的图。
图5示出根据本发明的实施例的发送的超声波和被接收多次的两种或更多种超声回波的实例。
图6示出根据本发明的实施例的用于驱动超声波传感器的方法的流程图。
参考标号的描述
100：超声波传感器
200：超声波传感器驱动设备
220：放大器
230：模拟-数字转换器
240：信号处理单元
250：控制单元
具体实施方式
下文将参考附图详细描述本发明的实施例。然而，应当理解，本发明不限于所公开的实施例，但是可以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为受限于本文所阐述的实施例。更确切地说，提供这些实施例以使得本公开将全面且完整以被充分了解。另外，为了说明的目的，在附图中部件的大小可被放大或减小。
以下实施例被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明的范围并非仅受以下实施例的限制。
图1示出根据本发明的实施例的用于驱动超声波传感器的设备的配置。
参考图1，根据本发明的实施例的超声波传感器驱动系统包括：超声波传感器100，超声波传感器驱动设备200。
超声波传感器100包括换能器。超声波传感器100根据从超声波传感器驱动设备200接收的发送脉冲使换能器振动，以发送超声波。然后，当从物体反射的超声波的回波使换能器再次振动时，换能器将该振动转换为电信号并且输出该电信号。通常，超声波的发送和接收依据时间分成发送时段和接收时段，并且循序地且重复地执行发送和接收。
超声波传感器驱动设备200包括：驱动单元210、放大器220、模拟-数字转换器(ADC)230、信号处理单元240，和控制单元250。超声波传感器驱动设备200分析通过超声波传感器100的换能器所接收的针对超声波的超声回波，以计算距外部物体的距离。
驱动单元210通过向换能器提供发送脉冲使换能器振动来发送超声波。超声波传感器100将所接收的、对于该发送的超声波的超声回波转换为电信号。放大器220放大针对所接收的超声回波414和418的电信号。考虑到所发送的超声波和所接收的超声回波的接收灵敏度，驱动单元210输出发送脉冲，以使得换能器能够以具有以下值的频率振动，即，该频率具有在超声波传感器100的换能器的谐振频率和反谐振频率之间的值。
模拟-数字转换器230将放大器中所放大的信号转换为数字信号并且将该数字信号发送到信号处理单元240。另外，根据本发明，由模拟-数字转换器230转换的数字信号作为原始数字信号232输入到控制单元250。
信号处理单元240是以下模块，即，用于将超声波转换并处理为可以在控制单元250中进行分析的分析信号，诸如，消除针对超声回波的电信号的噪声并且从电信号中提取包络。例如，信号处理单元240可包括：通过各种数字滤波器过滤发送频率周围的一定频率范围的带通滤波器，从经过该带通滤波器的信号提取包络信号的包络提取器，和/或用于过滤所提取的包络信号的噪声的低通滤波器。
控制单元250包括：相位和/或频率变化检测单元252，存储器254，并且控制单元分析经过包络提取处理的数字信号以输出距外部物体的距离。
下文将参考图2至图5描述本发明的原理，然后将详细描述控制单元250的操作。下文将参考图2至图5详细描述使用本发明的超声波传感器的距离测量方法。图2示出第二时段(其是混响时段)的原始数字信号232的图。图3是用于说明超声波信号在超声波传感器100与邻近超声波传感器150的外部物体之间的反射的图。图4示出针对信号经过包络提取处理的信号图。并且，图5示出根据本发明的用于超声波传感器100的发送和接收周期的图。
首先，将参考图5描述超声波的发送时段和接收时段。
在如图5所示的发送时段和接收时段中驱动超声波传感器100。
参考图5，发送和接收时段包括：第一时段(t0-t1)，在该时段，驱动单元210的发送脉冲使超声波传感器100的换能器振动；第二时段(t1-t2)，在该时段，在驱动单元210停止提供发送脉冲之后，超声波传感器100的换能器继续振动(自振动)；第三时段(t2-直到驱动单元210提供下一发送脉冲)，在该时段，换能器停止自振动。在以下描述中，将详细描述在上述发送和接收时段中控制单元250对超声波传感器100的控制。
如上所述，驱动单元210在第一时段中提供发送脉冲以使超声波传感器100的换能器振动，然后在进入第二时段时停止提供发送脉冲。然后，换能器以谐振频率自振动，并且自振动的强度衰减。自振动和衰减在第二时段结束时停止。这种衰减和自振动被称为混响(reverberation)。在混响完成后，除非接收到所发送的超声波的回波，换能器停止振动直到提供下一发送脉冲(第三时段)。
常规的超声波传感器驱动设备不能处理在混响时段(回响时间)期间所接收的信号，这是因为由于第二时段(混响时段)中混响的影响而难以提取准确的超声回波。因此，在混响时段期间不可能测量距外部物体的距离，并且在测量非常靠近该常规的超声波传感器的外部物体的位置方面存在局限性。在常规的超声波传感器安装在汽车上的情况下，在距超声波传感器30cm的范围内的测量是不可能的。
同时，参考图2，控制单元250监测在第二时段期间从模拟-数字转换器230接收的原始数字信号232。虽然在第一时段中发送脉冲没有以谐振频率驱动超声波传感器100的换能器，但是换能器的自振动频率在第二时段中快速变化为换能器的物理谐振频率。然而，当在第二时段中接收到从外部物体反射的超声波的超声回波时，换能器的自振动频率变化为谐振频率和所反射的超声波的超声回波的频率的复合频率。
相位和/或频率偏移检测单元252检测换能器开始以该复合频率振动的开始时间(Tfc)，并且该开始时间可以作为潜在的飞行时间(TOF1)储存在存储器254中。
参考图3，在换能器与物体彼此紧密接近的情况下，如果换能器振动以发射超声波，则从物体反射的超声回波再次被换能器二次反射。从换能器反射的超声波再一次从该物体二次反射。所发送的超声波在空间中行进的同时持续衰减，并且重复这些二次反射直到它们完全消失。因此，即使当发送超声波一次时，如果物体在非常接近的位置，则由于相互的反复的反射，接收到两次或更多次超声回波。在本发明中，该原理用于扩展接近区域中的可测量距离。
根据本发明，在第二时段期间，控制单元250首先通过相位和/或频率变化检测器252检测超声回波414。在这种情况下，如果控制单元250在预定时间416内接收到超声回波414(参考图4和图5)，则基于潜在的飞行时间输出距外部物体的距离，该潜在的飞行时间是由相位和/或频率变化检测器252检测并且储存在存储器254中的开始时间。
如图5所示，当超声回波414由于外部物体的反射而在时间上在第二段和第三段延伸时，在预定时间416内可以接收到超声回波414。因此，基于自振动的频率和/或相位变化被检测的时间(Tfc)可以输出距外部物体的距离。因此，在图5的实施例中，可以在混响时段中计算距物体的距离而不考虑针对二次反射波的回波418。
常规地，已经作出了测量关于混响时段的飞行距离的尝试。然而，在常规配置的情况下，由于换能器的自振动，所以混响时段期间的大部分信号被滤除。例如，存在在混响时段期间测量距离的常规配置，其中，如果第一反射信号和二次反射信号的检测时间之间的差异小于预定时间则被输出作为该距离。然而，由于二次反射信号具有非常弱的强度，所以在混响时段期间测量该距离是困难的。
然而，在本发明中，可以通过在混响时段中监测原始数字信号232的相位和/或频率变化，准确地检测混响时段中的物体的反射波。此外，通过使用附近的物体的二次反射，大大提高附近的物体的检测精度。然而，如图5所示，即使没有考虑到物体的二次反射，但如果在预定的时间内检测到外部物体的包络，则有可能通过将其识别为附近的物体来准确地检测附近的物体的飞行时间。
下文将参考图6描述根据本发明的用于驱动超声波传感器的方法。
图6示出根据本发明的实施例的超声波传感器驱动方法的流程图。
超声波根据发送脉冲408由超声波传感器100发送，并且接收到超声波的超声回波414(步骤S502)。
放大器200放大所接收的超声回波414的电信号(步骤S504)。
模拟-数字转换器230将所放大的电信号转换为数字信号(步骤S506)，并且将该数字信号作为原始数字信号232向控制单元250和信号处理单元240提供。
信号处理单元240对原始数字信号执行包络提取处理，并且控制单元250监测原始数字信号232以检测第二时段(混响时段)中是否存在频率变化(步骤S508)。
控制单元250分析原始数字信号以确定是否存在于第二时段期间检测到的任何频率和/或相位变化，并且基于在预定时间内所提取的包络检测外部物体。并且，控制单元250将基于频率和/或相位变化计算出的距离识别为有效距离，并且输出距外部物体的有效距离(步骤S510)。
具体地，假设存在超声波传感器100的换能器根据由驱动单元210提供的发送脉冲而振动的第一时段(t0-t1)，换能器在驱动单元停止提供发送脉冲后继续振动(自振动)的第二时段(t1-t2)，以及换能器停止自振动的第三时段(t2-直到驱动单元210提供下一发送脉冲)，输出距外部物体的有效距离的步骤S510包括：在第二时段期间分析原始数字信号的步骤和在第三时段期间分析经过包络提取处理的数字信号的步骤。
如果在第二时段期间存在任何频率和/或相位变化并且在预定时间期间检测到超声回波414，则控制单元250将基于频率和/或相位变化计算出的距离识别为有效距离，并且输出距外部物体的有效距离。
根据本发明，在混响时段(在该时段中，停止提供发送脉冲之后换能器自振动)期间初始检测在混响时段期间的换能器的相位和/或频率变化并且在预定时间内接收到超声回波的情况下，通过基于飞行时间输出距外部物体的距离，有可能更加精确地测量邻近的外部物体的位置，该飞行时间是基于超声波的发送时间和初始检测时间计算。在过去，由于在混响时段中不可能测量物体距离，所以仅可以检测远离超声波传感器超过30cm的物体。然而，根据本发明，有可能检测约5cm的外部物体。
虽然已经关于目前被认为是实用的示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例，但是正相反，应当理解，本发明不限于所公开的实施例并且旨在覆盖各种修改和类似之处。因此，本发明的范围不应被解释为受限于所述实施例，并且应当解释，本发明的范围不仅覆盖以下专利权利要求书的权利要求而且覆盖其等效物。

Claims (10)

1.一种用于驱动超声波传感器的设备，包括：
驱动单元，用于向所述超声波传感器提供发送脉冲以发送超声波，并且所述驱动单元用于接收针对所述超声波的超声回波；
放大器，用于放大针对所述超声回波的电信号；
模拟-数字转换器，用于将所放大的电信号转换为原始数字信号；
信号处理单元，用于对所述原始数字信号执行包络提取处理并且生成经包络提取处理的信号；以及
控制单元，用于基于所述原始数字信号和所述经包络提取处理的信号，输出所述超声波传感器与外部物体之间的距离，
其中，假设存在所述超声波传感器的换能器根据所述发送脉冲进行振动的第一时段，在停止提供所述发送脉冲之后所述换能器自振动的第二时段，以及所述换能器停止所述自振动的第三时段，所述控制单元至少在所述第二时段期间基于所述原始数字信号监测所述超声波传感器的所述换能器的振动的频率或相位变化，并且在至少所述第三时段期间分析所述经包络提取处理的信号，并且
其中，所述控制单元输出所述超声波传感器与所述外部物体之间的所述距离，所述距离是基于所述超声波的发送时间和初始检测时间之间的飞行时间确定的，当在所述第二时段期间初始检测到所述超声波传感器的所述换能器的所述频率或相位变化并且在预定的时间内接收到所述超声回波时确定所述初始检测时间。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述发送脉冲的频率在所述换能器的谐振频率与反谐振频率的中间。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，在所述第二时段期间的所述换能器的自振动频率是所述换能器的谐振频率。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制单元包括：存储器，用于储存所述超声波的所述发送时间与所述初始检测时间之间的所述飞行时间。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制单元包括：相位或频率变化检测单元，检测所述换能器的相位或频率变化。
6.一种用于驱动超声波传感器的方法，包括以下步骤：
向所述超声波传感器提供发送脉冲以发送超声波，并且接收针对所述超声波的超声回波；
放大针对所述超声回波的电信号；
将所放大的电信号转换为原始数字信号；
对所述原始数字信号执行包络提取处理并且生成经包络提取处理的信号；以及
基于所述原始数字信号和所述经包络提取处理的信号，输出所述超声波传感器与外部物体之间的距离，
其中，输出所述距离包括：
假设存在所述超声波传感器的换能器根据所述发送脉冲进行振动的第一时段，在停止提供所述发送脉冲之后所述换能器自振动的第二时段，以及所述换能器停止所述自振动的第三时段，至少在所述第二时段期间基于所述原始数字信号监测所述超声波传感器的所述换能器的振动频率，并且在至少所述第三时段期间分析所述经包络提取处理的信号，并且
输出所述超声波传感器与所述外部物体之间的所述距离，所述距离是基于所述超声波的发送时间和初始检测时间之间的飞行时间确定的，当在所述第二时段期间初始检测到所述换能器的所述振动频率的变化并且在预定的时间内接收到所述超声回波时确定所述初始检测时间。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述发送脉冲的频率在所述换能器的谐振频率与反谐振频率的中间。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述第二时段期间的所述换能器的振动频率是所述换能器的谐振频率。
9.根据权利要求6所述的方法，输出所述距离的步骤还包括：存储所述超声波的所述发送时间与所述初始检测时间之间的所述飞行时间。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，基于所述换能器的相位或频率变化检测所述振动频率的变化。
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